Прототип атомных часов CSIC образца 2004 года, источник. К сожалению, реальное устройство с управляющей электроникой оказалось гораздо массивнее
В своё время атомные часы сделали возможным создание спутниковых систем навигации вроде GPS, которые опираются на сверхточные синхронизированные часы.
Но сейчас перед человечеством стоит скорее обратная задача: мы хотим обеспечить точную навигацию по местности без GPS, и для этого нужны ещё более точные атомные часы, чем для работы GPS. Зная скорость и направление движения любого объекта, часы нового поколения обеспечат позиционирование с точностью до метра/сантиметра (в зависимости от их точности, а также точности других датчиков). В общем, главная задача теперь — решить проблему зависимости от спутниковой навигации, которая не всегда доступна.
▍ Как работают атомные часы
Первые атомные часы были созданы в 1949 году в Национальном бюро стандартов США, ныне Национальном институте стандартов и технологий (NIST). Это был абсолютно новый принцип измерения времени. Анахроничные механизмы прошлого измеряли астрономические явления, вращение Земли, использовали механические пружинки, шестерёнки и маятники. В отличие от них, атомные часы измеряют время по электромагнитным сигналам, излучаемым электронами вокруг атома. Когда электрон меняет энергетический уровень, он поглощает или излучает свет с частотой, одинаковой для всех атомов данного элемента.
Например, при переходе между двумя сверхтонкими уровнями цезия-133 возникает ровно 9 192 631 770 периодов электромагнитного излучения (колебаний частоты). Именно такое значение сейчас принято в системе СИ как определение «секунды».
Оптические атомные часы определяют время с помощью лазера, который настраивается на эту частоту и регистрирует колебания частоты при энергетических переходах. Это делает их невероятно точными по сравнению с предшественниками. Сейчас оптические часы — это перспективная и активная область исследований. Любопытно, что их изобретателем считается известный советский физик Владлен Летохов, который предложил идею в 1960-е.
Точность часов во многом обусловлена качеством лазера. Именно поэтому большие, громоздкие научные установки обеспечивают гораздо лучшую точность, чем портативные часы с коммерчески доступными лазерами массового производства.
Атомные часы также чрезвычайно полезны в космосе. Примером такого эксперимента являются атомные часы NASA Deep Space Atomic Clock, которые в 2019−2021 годах тестировали технологию на орбите. В будущем эти устройства могут найти применение в поиске тёмной материи, определении гравитационных аномалий, навигации и т. д.
Deep Space Atomic Clock, художественный рендер, источник: НАСА
Поскольку время является неотъемлемым свойством пространства, то максимально точные и надёжные атомные часы — это практически обязательный инструмент в космосе. Только он может обеспечить независимую автономную навигацию в дальнем космосе.
Установка атомных часов Deep Space Atomic Clock на спутник, НАСА
Очевидно, что изучение дальнего космоса человечеством возможно только с помощью автономных роботизированных систем. Нет смысла посылать людей в миссию продолжительностью тысячи или миллионы лет, потому что это на порядок осложняет конструкцию корабля.
Из этого следует, что контакты с кораблями инопланетных цивилизаций с большой вероятностью начнутся с контактов с роботизированными зондами-разведчиками.
▍ Новый конкурс на самые маленькие атомные часы
В прошлом году DARPA объявила конкурс на создание более точных атомных часов меньшего размера, и в него тут же включились коллективы физиков и инженеров из разных университетов и научных лабораторий.
Программа DARPA H6 предусматривает создание «сверхмалых, энергоэффективных, пригодных для эксплуатации часов, способных сохранять микросекундную точность в течение одной недели в рабочем диапазоне от −40 до +85 °C без GPS-синхронизации». На самом деле такая точность давно достижима в лабораторных машинах большого размера. Они не выходят из интервала 0,000001 с в течение десятков тысяч лет.
В прошлом году физики из Висконсинского университета в Мадисоне разработали сверхточные часы, которые теряют одну секунду каждые 300 млрд лет (в переводе на более стандартные величины). Это также первые в мире «мультиплексные» часы, совмещающие в себе шесть различных импульсных генераторов, что позволяет сравнивать их значения и замечать аномалии.
См. также новую научную статью этих авторов «Лабораторная проверка гравитационного красного смещения в миниатюрной сети часов» (12 августа 2023 г, Nature).
Гравитационное красное смещение в миниатюрной сети часов на оптической решётке, источник: Nature
По понятным причинам (качество лазера и др.) портативные устройства сильно уступают в точности лабораторному оборудованию, там таких показателей пока ни у кого нет.
В прежние века точный хронометр был важен для определения долготы в навигации, а сегодня серьёзной проблемой в PNT (позиционирование, навигация и синхронизация) является потеря сигнала GPS. Благодаря миниатюрным и экстремально точным атомным часам появляется возможность в некоторых PNT-приложениях отказаться от GPS на срок в несколько дней или недель.
Конкурс DARPA состоит из трёх этапов. На первом участники будут решать проблемы зависимости тактовой частоты от температуры и снижения SwaP (размер-вес-энергопотребление). На втором — проблемы надёжности часов, а также их работы в указанном диапазоне температур. На третьем участники продемонстрируют полностью интегрированные часы тактического класса, изготовят и поставят пять экземпляров таких часов.
▍ Прототип Sandia
В рамках первого этапа группа исследователей из Sandia National Laboratories анонсировала создание прототипа размером 10×2×2 мм, то есть всего 0,04 см³.
Игольчатые зонды подают ток силой 2 мА на зелёный лазерный диод из нитрида индия-галлия (InGaN), который Sandia разрабатывает для квантовых датчиков нового поколения. Под таким током диод выдаёт почти 1 мВт монохроматичного излучения с длиной волны 894 нм
Нитрид индия-галлия (InGaN) представляет собой полупроводниковый материал, состоящий из смеси нитрида галлия (GaN) и нитрида индия (InN). Его ширину запрещённой зоны можно регулировать, изменяя количество индия в сплаве. Отношение In/Ga обычно от 0,02/0,98 до 0,3/0,7.
InGaN используется как светоизлучающий слой в современных синих и зелёных светодиодах.
Новый лазерный атомный осциллятор Sandia генерирует устойчивый тактовый импульс в результате излучения лазера через облако атомов цезия.
При этом очень важно, что он хорошо работает в автономном режиме, а для управления периодическими импульсами генератора не требуется внешнее электронное оборудование. Дело в том, что в существующих устройствах вспомогательная аппаратура занимает большую часть места. Например, в портативных часах CSAC (см. ниже) физическая генерация импульсов происходит на площади в объёме миллиметров (на КДПВ). Всё остальное — управляющая электроника.
Испытания прототипа часов в лаборатории Sandia Microsystems Engineering, Science and Applications, источник
Первоначальное финансирование по программе DARPA рассчитано на два года с возможностью дополнительного финансирования по достижении контрольных показателей по размерам и производительности.
У Sandia давний опыт разработки атомных часов. В начале 2000-х они участвовали в создании Chip Scale Atomic Clock (CSAC) размером около 17 см³, что можно сравнить с коробком спичек стандартного размера (15 см³). На тот момент CSAC стали самыми маленькими атомными часами в мире, и они до сих пор остаются самыми маленькими часами в открытом доступе (которые можно купить на рынке примерно за $2537−8061, в зависимости от объёма партии и модели чипа, но отправлять такое в РФ запрещено, даже доступ на сайт может быть закрыт для российских IP-адресов).
Модель CSAC-SA45S с объёмом корпуса 17 см³ и весом 35 г
Так что с миниатюрными атомными часами история в каком-то смысле повторяется: новый конкурс от DARPA — и Sandia снова здесь.
По условиям DARPA, новые портативные атомные часы должны быть меньшего размера, чем показанные на фотографии, потреблять меньше энергии и быть примерно в 30 раз точнее. Плюс есть повышенные требования к диапазону температур и вибропрочности.
P. S. Пара точнейших атомных часов, разнесённых по высоте на несколько миллиметров друг от друга, показывает разный результат, поскольку пространство-время деформируется в гравитационном поле, как и предсказал Эйнштейн. В частности, на расстоянии 1 мм между верхом и низом оптической решётки из 100 000 атомов стронция в определённой структуре за 92 ч фиксируется расхождение во времени 0,0000000000000000001 с из-за гравитационной разницы.
Гравитационное красное смещение и разница показаний синхронных часов на расстоянии 1 мм, источник: Nature
Аналогичные результаты получили коллеги из Висконсинского университета в Мадисоне в вышеупомянутой научной статье от августа 2023 г. На иллюстрации демонстрируется разница во времени в зависимости от высоты (z). Конкретно в этом эксперименте по показаниям часов учёные определили вертикальное расстояние между ними (в двойных стрелках). Все величины в сантиметрах, для самых нижних (пятых) часов принята нулевая высота:
P. P. S. Пока учёные исследуют свойства новых материалов для миниатюризации, энтузиасты уже сделали первые в мире наручные атомные часы.
P. P. P. S. Если вы видели где-то в продаже наручные «атомные часы», то это наверняка подделка, поскольку квантовых сенсоров такого размера пока не существует. Скорее всего, это обычные кварцевые часы на 60 Гц, которые просто периодически синхронизируются с источником сигнала. А уже он получает данные с настоящих атомных часов.
Показания 450 атомных часов из 80 стран усредняются для вычисления «скоординированного универсального времени» (Coordinated Universal Time, UTC), источник
Настоящие же наручные атомные часы появятся в продаже, вероятно, через несколько лет после окончания конкурса DARPA. По крайней мере, если сенсоры Sandia размером 10×2×2 мм пойдут в тираж и будут интегрированы в мобильное устройство с низким энергопотреблением, то можно рассчитывать на изготовление наручных часов потребительского класса ценой примерно в несколько тысяч долларов.
Узнавайте о новых акциях и промокодах первыми из нашего Telegram-канала ????
Комментарии (120)
Zolg
16.10.2023 09:05+15обычные кварцевые часы на 60 Гц,Емнип, "обычные" в большинстве своём 32768 Гц
Iv38
16.10.2023 09:05+5Обычные часы на 60 Гц - это что-то из времён, когда часы от розетки тактировались (и, судя по частоте, совсем не в этой стране). Но к кварцевым часам это, конечно, отношения не имеет, к наручным - тем более.
konst90
16.10.2023 09:05Тактирование часов в бытовой технике (типа микроволновок) от электрической сети, насколько я знаю, используется до сих пор. И поставщики энергии поддерживают частоту сети так, чтобы ошибка не накапливалась, корректируя её при необходимости.
Zolg
16.10.2023 09:05+4Я очень, очень сильно сомневаюсь, что поставщики энергии корректируют частоту сети для того, чтобы часы в микроволновке не спешили.
Частота сети важна в первую очередь для самой сети (с кучей генераторов) и для моторов. Вряди кого-то там волнуют микроволновки.
Alexeyslav
16.10.2023 09:05+3Они не корректируют ЧАСТОТУ сети, они корректируют количество периодов чтобы оно соотвествтовало реальному времени, синхронизируя их с атомными часами на больших участках времени - вроде суток, недель и даже месяцев. За год, отклонение времени может происходить +-30 секунд например, но в сумме за период величиной год - время будет соответствовать атомным часам. И тем самым такие часы не нужно будет подводить в принципе.
Hardcoin
16.10.2023 09:05+2Они не корректируют ЧАСТОТУ сети, они корректируют количество периодов
Частота и количество периодов обратно пропорциональны. Вы не можете поменять количество периодов, не поменяв частоту.
Yuri0128
16.10.2023 09:05Частота будет гулять от нагрузки а количество периодов за день - фактически интеграл, вот его и держат (вернее стараются держать) стабильным. Соответственно мгновенная частота будет не 50/60 Гц а +/- полгерца а вот средняя за сутки будет весьма точно соответствовать 50/60 Гц (в Америке, тут как раз указывается именно число периодов за сутки "4320000 cycles per day" для 50 Гц) или 50 Гц (в Европе).
Alexeyslav
16.10.2023 09:05Более того, частота в сети постоянно меняется в зависимости от нагрузки. Путем подключения/отключения маневровых мощностей в энергосистеме можно управлять частотой в сети, таким образом подстраивая количество периодов к атомным часам. Но беда в том что это возможно лишь при нормальной энергосистеме, в которой есть избыток генерирующих мощностей, а это не для каждой страны актуально. В америке это реально, в европе тоже, в странах бывшей эммм... это не практикуется поскольку постоянный дефицит мощности и как следствие пониженная частота, что приводит к отставанию часов на микроволновках(что и наблюдается).
AuroraBorealis
16.10.2023 09:05Не частоту - скорее «фазу». Ну и TEC - скорее рудиментарное явление с появлением МЭК61850, где синхронизация времени делается по real-time ethernet
riv9231
16.10.2023 09:05Причем 60Гц - это наверное в США. У нас-то промышленная частота 50Гц.
Меня удивляют подобные авторы. Вот о чем они думают? Примерно так, наверно: - хм, надо бы что-то написать про обычные часы, а на какой частоте они работают? - Да я и сам не знаю, напишу 60Гц, все рано никто не поймёт (facepalm)
Автор правда считает, что если ему не известен какой-то факт, можно лепить любую околесицу? Тогда что там с остальными утверждениями? Как вообще можно серьёзно это воспринимать?
По поводу помощи в навигации от точных часов. Может быть, часы нужны чтобы ускорения точнее определять для повышения точности акселерометра? Раз уж они чувствительны к 1мм разницы высоты, то ускорения характерных для пешехода, тем более должны чувствовать. Но должны быть вторые часы - не ускоренные, для сравнения показаний.
ksbes
16.10.2023 09:05Если они на столько чувствительны к ускорениям и рывкам (производной ускорения) - то их уже нельзя назвать точными: земля, например, постоянно трясётся случайным образом. А если на руке их носить или в транспорте возить - так вообще пиши-пропало. Т.е. если они не висят себе в невесомости на геостационаре - то случайные локальные возмущения должны всю точность нивелировать. Если, конечно, вы не нашли способ опровергнуть принцип эквивалентности и научились различать гравитационные и инерционные ускорения.
Moog_Prodigy
16.10.2023 09:05+1На работе как то списали цезиевый стандарт частоты. Практически такой же ящик как у мужика к руке примотан, еще не совсем часы, но самая важная часть. Я думал было выкупить, ага щазз, там драгмета только больше чем на сотню килорублей, и утилизация под строгой отчетностью. А так хотелось дома иметь настоящие Атомные, да и свой ntp сервер можно было бы поднять)
Nad73
16.10.2023 09:05Так вроде есть рубидиевый стандарт частоты fe-5680a, ну или сразу в корпусе:
https://vniiftri.ru/catalog/products/pribory/sredstva-izmereniy/etalony-vremeni-i-chastoty/standart-chastoty-i-vremeni-rubidievyy-ch1-92/
Или те которые как CSAC (MAC):
https://www.vniiftri.ru/catalog/products/pribory/sredstva-izmereniy/etalony-vremeni-i-chastoty/standart-chastoty-rubidievyy-sverkhminiatyurnyy-kvantovyy-na/Moog_Prodigy
16.10.2023 09:05Да есть-то они есть, цены только жесть. И еще не факт что физлицу можно вообще их вот так взять и купить.
Nad73
16.10.2023 09:05+1В Китае можно чуть дешевле купить:
FE-5680A рубидиевые часы, атомные часы, Регулируемая частота 50 579,84 ₽Alexeyslav
16.10.2023 09:05Обычно это сильно изношенные, уже не соотвесттвующие стандартам точности и стабильности. Но которые тем не менее можно использовать для менее ответственных целей, где достаточно будет точности скажем в 12 знаков, а не 19 изначальных. Но в таком случае, не проще ли использовать ГИАЦИНТ, или даже GpsDO? Обойдется явно дешевле.
Nad73
16.10.2023 09:05так у него 11 знаков точности установки частоты заводская и за год может уйти до 10 знаков, 19 это кажется вы опечатались..
Alexeyslav
16.10.2023 09:0510-11 знаков это его точность без внешней коррекции, 19 знаков это кратковременная стабильность частоты, долговременная - если не ошибаюсь 14 знаков. Если его корректировать по GPS думаю и 19 знаков можно получить, вопрос лишь сможет ли обеспечить GPS на нужном интервале времени необходимую стабильность. Кажется, именно так GPSDo модули и делают. Но в самой системе навигации стабильность и непрерывность времени не является гарантированной, в любой момент могут добавить или отнять секунду или ещё что-то подобное устроить. Для измерительной лаборатории это не является какой-то проблемой, а вот для длительных экспериментов - очень даже.
Nad73
16.10.2023 09:05+118 знаков получается для долговременной нестабильности частоты и то для оптических стандартов частоты (это целая лаборатория и судя по статьям до 19 знака пока что ещё не улучшили), а вот кратковременная нестабильность частоты, почти у всех атомных стандартов определяется кварцевым генератором (кварцевые генераторы способны выдавать нестабильность на интервале усреднения 1 секунды до 14 знака). GPS имеет ужасную нестабильность на коротких временах, это 7-9 знак, на сутках порядка 13 знака. Но это все про нестабильность.. Таким образом, старый рубидий от нового не сильно критично будет отличаться, достаточно будет только установить действительное значение частоты..
xxxgoes
16.10.2023 09:05СЧВ-74 в хорошем состоянии можно найти в пределах 70-80тр на всем известной барахолке. Сразу и стандарт частоты, и часы, и синхртнизатор в одном корпусе.
Altakumi
16.10.2023 09:05+3[quote]Игольчатые зонды подают ток силой 2 мА на зелёный лазерный диод из нитрида индия-галлия (InGaN), который Sandia разрабатывает для квантовых датчиков нового поколения. Под таким током диод выдаёт почти 1 мВт монохроматичного излучения с длиной волны 894 нм[/quote]
Мне кажется или "зеленая" длина волны несколько другая - 500-600 нм? И диод из нитрида индия-галлия излучает где-то на 530 нм !
SpiderEkb
16.10.2023 09:05+16В заголовке написано:
Определение координат без GPS
Однако, в статье ни слова про то, как предполагается "определять координаты без GPS". И вообще что под этим понимается.
Если "совсем без GPS" - это одно.
Если имеется ввиду "поддерживать текущее положение при кратковременной потери GPS сигнала" - это другое.
Если имеется ввиду инерциальная система навигации, то тут нужно про нее отдельно писать. Ни слова про точность измерения скорости, направления, ускорения (и что точность определения времени далеко не единственная проблема инерциальных навигационных систем). Ни слова про то, что ошибка в инерционных навигационных системах накапливается со временем...
Короче говоря, тема заголовка в статье не раскрыта.
XenRE
16.10.2023 09:05Однако, в статье ни слова про то, как предполагается "определять координаты без GPS". И вообще что под этим понимается.
Если "совсем без GPS" - это одно.
Если имеется ввиду "поддерживать текущее положение при кратковременной потери GPS сигнала" - это другое.
А какая разница в данном случае - если есть только часы? А так то еще есть астронавигация.
ciuafm
16.10.2023 09:05+12Я думаю в начале было "точное время без синхронизации по GPS", а потом редактор такой, блин, GPS ведь для координат а не для времени, возьму исправлю, а то нерды засмеют. Вот получился кликбейтный заголовок...
da-nie
16.10.2023 09:05+3зелёный лазерный диод
...
монохроматичного излучения с длиной волны 894 нм
Вот прямо-таки зелёный? Да что вы говорите...
Зная скорость и направление движения любого объекта, часы нового
поколения обеспечат позиционирование с точностью до метра/сантиметраНо только вы скорость и направление, обычно, знаете с такой точностью, что даже сверхточные часы вам не помогут для точного позиционирования. :)
Nad73
16.10.2023 09:05Вот интересно, а какую погрешность реально вносит именно кварцевый генератор, который имеет нестабильность частоты равную 1Е-7 и отклонением номинальной частоты 1Е-6, если говорить о инерциальной навигации
Alexeyslav
16.10.2023 09:05Это при условии стабильной температуры... обычно в условиях даже такая точность для кварцев недостижима, поэтому их используют лишь в качестве опорных, а точная частота измеряется по внешним источникам и отслеживается перестраиваемым генератором, как это происходит в случае GPS. Что такое даже те самые 1 PPM(1Е-6 погрешность)? это погрешность в 1мс на 1000 секунд. При скорости в 10м/с это отклонение от реального положения(только за счет погрешности времени) 10 сантиметров на каждую 1000 секунд, тоесть 10км. Но это лишь теоретически достижимая, на кварце. В реальности как-то по хуже дела обстоят, для чего стараются применить более точные источники.
Вспомним ещё, что типичный ТКЧ у лучших кварцев - около 10PPM на каждый градус цельсия!Nad73
16.10.2023 09:05Глянул кварцевый генератор Мориона у них ТКЧ на уровне 0,1 PPM:
https://morion.com.ru/files/oscillators/43_file-ru.pdf?1683715664
Так, получается ошибка 10 метров при интервале измерения 1000 секунд, выходит, с опорными генераторами можно сильно и не заморачиваться, я правильно понял?Alexeyslav
16.10.2023 09:05Это уже интегрированные модули генераторов, из которых кварц лишь небольшая часть, плюс схема температурной компенсации, которая в принципе работает, но есть ньюансы - переходные процессы после включения, изменения температуры, напряжения питания. И как бы ни были минимальные размеры всегда будет существовать задержка между температурой самого кристалла и датчика её измеряющего.
kilgur
16.10.2023 09:05Кажется, вы тут на порядок ошиблись: в 1м 100 см, т.е. погрешность в 1 мс при скорости 10 м/с --- это отклонение в 1 см (за 1000 секунд). Ну, или в 10, но миллиметров, а не сантиметров.
Nad73
16.10.2023 09:05+2да, ошиблись, то есть тем более можно применять простые кварцевые генераторы и никто этой погрешности и не заметит, возникает вопрос, а почему тогда говорят, что требуется миниатюрные атомные часы, когда кварцевые генераторы отлично справляются с задачей.
vvbob
16.10.2023 09:05Я в 95 служил срочную, в связи, так вот у нас были радиостанции с термостатом, в них все эти резонаторы были помещены в специальный отсек, в котором поддерживалась стабильная температура, как раз для повышения точности и постоянных характеристик станции. Дуры были огромные и тяжелые, но я думаю что на современной элементной базе возможно создать более миниатюрные устройства.
Особенно если требуется сравнительно непродолжительная работа изделия(в головке самонаведения, например)то можно помещать кварц в камеру с например кипящим жидким азотом, который в процессе кипения будет иметь постоянную температуру, ну или еще какие-либо подобные ухищрения использовать.Alexeyslav
16.10.2023 09:05Так ГИАЦИНТ именно так и сделан, разработка 70-х годов...
Кипящий азот плохая идея, особенно для ракеты - она ведь пересекает за время полёта многие высоты, а температура кипения жидкостей зависит от давления. Досихпор ничего лучшего НА КВАРЦЕ не придумали. Да, есть кварцевые генераторы интегрированные, но это про компенсацию температуры, и требует подстройки в заводских условиях, чаще всего лазером на кристалле.ksbes
16.10.2023 09:05Давление кипящего азота легко регулировать клапаном. Кипящая жидкость - это лучший стабилизатор температуры в любых условиях.
vvbob
16.10.2023 09:05Правда тут возникает уже другая проблема - нужен какой-то очень точный клапан, иначе погрешности будут уже из-за неточно выставленного давления.
Alexeyslav
16.10.2023 09:05И надо будет очень надёжный клапан. Механика будет самой ненадёжной частью конструкции, не говоря о том что и жидкость надо хранить.
vvbob
16.10.2023 09:05Да, я и не надеялся на оригинальность высказанной идеи, это лежит на поверхности и наверняка уже где-то используется.
Alexeyslav
16.10.2023 09:05Для стабилизации температуры? слишком заморочно. К тому же, чтобы стабилизировать температуру нужно дождаться окончания переходных процессов, что явно не про ракеты которая летит меньше чем стабилизируется температура. Это просто непрактично.
alexxz
16.10.2023 09:05+3Анахроничные механизмы прошлого измеряли астрономические явления, вращение Земли, использовали механические пружинки, шестерёнки и маятники.
А в чём анахроничность этих механизмов? Может архаические? Но тоже не совсем понятна в чем архаичность.. Механические часы даже в наше время используют пружинки, шестеренки и маятники.
Может хронометрические?
LordCarCar
16.10.2023 09:05+1Например, при переходе между двумя сверхтонкими уровнями цезия-133 возникает ровно 9 192 631 770 периодов электромагнитного излучения (колебаний частоты). Именно такое значение сейчас принято в системе СИ как определение «секунды».
Компании нанимают неучей для публикаций?
AntonSor
16.10.2023 09:05Дык, наши люди уже делали такую ячейку еще несколько лет назад. См. статью: https://elibrary.ru/item.asp?id=18831761
ТЕХНОЛОГИЯ СОЗДАНИЯ КЮВЕТЫ ДЛЯ СВЕРХМИНИАТЮРНЫХ АТОМНЫХ ЧАСОВ
Nad73
16.10.2023 09:05Если быть более точным то:
https://www.mathnet.ru/php/archive.phtml?wshow=paper&jrnid=ntitu&paperid=290&option_lang=rus
Потому как технология 2012 года, сильно отличается от технологии создании ячеек на пластине. А так вы правы, делали и делают ячейки для миниатюрных атомных часов
vvbob
16.10.2023 09:05+1В общем, главная задача теперь — решить проблему зависимости от спутниковой навигации, которая не всегда доступна.
Как-то думал что основная проблема навигации без спутниковых систем - в сравнительно низкой точности датчиков - магнитных, инерциальных. Точность часов, тут пока вроде не является узким местом. Но я, возможно, ошибаюсь.
DEM_dwg
16.10.2023 09:05Основная задача Dapra это прежде всего создать для военных возможность обходится беспилотникам без систем навигации. Т.е. чтобы не возможно было заглушить сигнал.
Но думаю быстрее они этого достигнут если научат ИИ ориентироваться по картам.
В принципе сейчас это уже работает частично, но для лучшего позиционирования наверное хотят использовать данные датчики.vvbob
16.10.2023 09:05По моему это (ориентирование по земле, или по астрономческим объектам - солнцу, звездам) уже давно есть, в навигационную забивают маршрут и она ведет по нему. Только тут те-же проблемы что и у пилотируемой авиации, распознавание ориентиров дело непростое и в них можно запутаться, плюс земля (или звезды) не всегда видны из-за погодных условий.
Читал Чертока, это один из конструкторов советской космической промышленности, по системам автоматики, так вот они уже в 60-е запилили навигацию по звездам, и она довольно успешно работала, на той примитивной элементной базе. Ну, разумеется со всеми оговорками выше.
Devastor87
16.10.2023 09:05Более точное определение себя в пространстве социума по параметрам времени и координат - в перспективе более низкий уровень контроля исходного кода ????
Так что есть смысл ????
konst90
Для этого акселерометры нужны, а не часы. Инерциальная навигация - зная линейные и угловые ускорения, дважды интегрируем их показания и получаем смещение текущего положения относительно точки старта.
Не очень ясен практический смысл такого прибора.
sergio_deschino
Наручные часы уже давно не про время.
konst90
Смысл часов, которые не про время, мне ясен. Это навигация, это уведомления, это информация о состоянии организма (пульс и т.п.), воспроизведение музыки, оплата в магазине, ответ на звонки и так далее. Всё это реально используется теми, кто эти часы покупает.
А что дадут атомные часы вместо кварцевых? Точность хода у кварцевых для любых практических задач достаточна.
Zolg
Механические покупают ведь
Точность ходов ниже кварца, зато не масс-маркет
А тут два в одном: и эксклюзивность и точность хода
ris58h
Это вы про какие? Или вы про альтернативу атомным?
Zolg
Про те, основная функция которых - показать, что владелец может потратить 100500 денег, в конкретных марках, увы не разбираюсь.
Наручные атомные дополнительно покажут, что владелец не только может потратить 100500 денег, но и идёт в ногу с прогрессом. То, что они (в отличии от механики) ещё и время показывают точнее касио за 20$ - незначительный приятный бонус.
Westus
Точная навигация без GPS.
sshemol
И каким образом вычислять локацию по часам?
Hlad
Если после попытки узнать время дали по морде и отобрали часы - значит Северное Бутово
Alexeyslav
По разнице хода времени в разных точках пространства. Или проще говоря - по гравитационной картине окружающего мира. Наверно, задача минимум - сделать аналог электронного штанген-циркуля но для навигации по гравитационному рельефу.
Iv38
В смысле абсолютное позиционирование по уровню гравитации? Но надо иметь какой-то способ узнать насколько медленно или быстро идут твои часы, а как?
Alexeyslav
скорей по окружающему гравитационному рельефу, как это делают современные манипуляторы типа "Мышь".
konst90
Нет, фокус тут в другом. Да, ваши часы действительно будут идти медленнее или быстрее в зависимости от напряжённости (или как оно там правильно называется) гравитационного поля. Но для того чтобы об этом узнать - вам надо постоянно сравнивать ваши часы с эталонными неподвижными. Парадокс близнецов и вот это всё.
Alexeyslav
Для этого и нужна матрица часов, в статье даже пример с 5-ю часами на разной "высоте" и пример разницы хода времени на расстоянии в 1мм.
lorc
А как вы определите разницу хода времени, если все часы в одной "точке" будут идти одинаково? С чем будете сравнивать?
Alexeyslav
Они физически в одной точке не могут быть. В статье приводится пример с расстоянием в 1мм. Если не ошибаюсь. 1мкс разницы времени за 90+ часов, правда.
lorc
Ну окей, что вам даст пара часов на расстоянии пусть даже 1м, если они движутся и вращаются вслед за пользователем? Без угловых датчиков (компаса, гироскопа, 3D акселерометра) вы просто будете видеть что то одни то другие часы идут быстрее. Как это поможет вам рассчитать их абсолютное положение в пространстве?
lorc
Смотрим на часы, с помощью секстанта определяем высоту Солнца над горизонтом, вычисляем локацию.
heart
Очевидно, что необходимы дополнительные точки отсчета. К примеру по небесным объектам. Точный алгоритм не скажу, это явно требует для глубоких исследований. Первые сверхточные часы дадут точное время. Вторые и третьи перпендикулярную касательную плоскость (компактно в отличие от гироскопов видимо). Дальше по звездам. Лучше чем ничего на земле, а в космосе вполне актуально.
playermet
Видимо все еще не ясен. Ничего из перечисленного нет в обычных наручных часах. При этом у каждого человека под рукой есть телефон/смартфон, который отображает время на заставке. Тем не менее, часы продолжают покупать.
konst90
Смартфон под рукой есть не всегда. И даже когда он под рукой - может быть удобнее посмотреть на запястье, чем лезть за смартфоном.
Alexeyslav
Если лишить такие часы интернета, они начнут заметно врать уже на вторые сутки. Для наручных часов и вовсе норма +-1.5сек в сутки - они заметно начинают врать гораздо раньше.
Wesha
Как-то так
kAIST
Сейчас перепроверил дату публикации и комментария, думал он из 2013...
Смартчасы/браслеты как бы не первый год существуют и достаточны популярны.
Kirill-112
Навигация и уведомления на механических часах? Это что за стимпанк такой?
konst90
Навигация - компас, уведомления - будильник :)
Dolios
А про что? На чём ещё смотреть время, если современный смартфон-лопата давно не помещается ни в один карман и носится исключительно в рюкзаке?
Darkholme
Не все носят лопаты. Некоторые даже обмылки 5-летней давности не могут заменить, ибо замены достойной нет. Но те же Asus Zenfone 8/Sasmung S23/Google Pixel 5 не сосем лопаты и достаточно современны ИМХО.
unreal_undead2
Время для интеграции тоже нужно (не обязательно абсолютное), но у меня тоже ощущение, что точность навигации скорее в погрешность акселерометра упрётся.
unclejocker
А разве погрешности не перемножаются? По идее уменьшая погрешность одной компоненты - все равно увеличиваем общую точность.
unreal_undead2
Согласен. Но у меня большие сомнения, что даже с идеальным источником времени акселерометр даст достаточную точность, чтобы оценить положение с точностью до метра после нескольких часов хождения по лесу.
unclejocker
Я так думаю - это не для хождения по лесу. На ракету поставят и не факт, что на космическую.
RTFM13
Там атомные часы нужны чтобы решить проблему глушения навигационного (и не только) сигнала.
strvv
это для уточнения взаимного месторасположения, когда используют исходно синхронизированные часы, то имея дельту по времени и координаты партнёров - можно вычислить свои координаты. но как всегда - вся мякотка в деталях - если у всех источников движимые координаты - то будет очень всё печально.
unreal_undead2
Это уже додумывание, в статье никакие партнёры не упоминаются.
Alexeyslav
Зато есть 5 часов на разной высоте...
zkutch
Они не просто перемножаются, там еще есть дополнительные слагаемые.
Serge78rus
Нет. Если бы это было так, то сведя погрешность одного из компонентов системы к нулю, мы бы получили нулевую результирующую погрешность всей системы, независимо от погрешности остальных компонентов. Что, очевидно, не верно.
unclejocker
Если докапываться к словам, давайте скажем, например, что точность стремится к единице. Так вас устроит?
ksbes
К какой единице?
Точность определяется во многом точностью наименее точного компонента (при неизменном количестве компонент). Так что начиная с некоторого момента повышать точность часов для инерциальной навигации действительно бессмысленно.
acc0unt
Это если у нас отсчёт от нуля. Если от единицы, где единица - полное отсутствие погрешности, то всё сходится.
id_potassium_chloride
Нет, не перемножаются. Уменьшение погрешности одно величины приводит к уменьшению погрешности конечного результата, но погрешности считаются сложнее, учите мат.часть. Условно-нулевая погрешность часов приведёт к тому, что на первый план выйдет ошибка других приборов (акселерометра, компаса, барометра и пр.).
unclejocker
Ну я понимаю, что это видимо ваша предметная область и вы готовы тут к буквам докапываться. Но мы с вами не на экзамене. Вы своими словами написали ровно тоже, что я имел в виду - при уменьшении погрешности одного компонента точность общего результата растет (до предела заданного погрешностями других компонентов). Над точностью других компонентов тоже ведется работа за пределами этой статьи, так что точные часы имеют некоторый смысл.
mmMike
Да чего вы хотите от этой статьи.
уже фраза
Говорит о.
Ну работает человек (автор) за зарплату. Как может - так и работает.
venanen
Ну что вы так, часы на 60Гц удобно - вставил два пальца в розетку, и часы синхронизировались \s
venanen
Хабр@moderator@Boomburum
Это вы чего, так прикалываетесь? Теперь нельзя использовать обычный слеш, а можно только обратный?
moderator
Спасибо, что обратили на это наше внимание. Поставили задачу коллегам из отдела разработки.
NAI
Не отпускайте их домой пока не починят редактор комментариев в мобильной версии.
достало
Hardcoin
Слишком сложно.
Sap_ru
Тут они ничего сделать не могут. Это уже давно так.
da-nie
Поставьте им, пожалуйста, ещё задачу, чтобы текст использовал всю ширину экрана, а не область в центре. А то у меня поля справ и слева сравнимы по размеру с центральной областью, где статья. Очень нерационально использован экран!
Arhammon
Эта опция в основном для штатов.
mizugoji
soc MediaTek Helio G85 поддерживает инерциальную навигацию.
Кто нибудь знает, в каких приложениях эта инерциальная навигация проявляет себя и как? Я не нашёл в интернете ничего про этот пункт.
Купил недавно смартфон Tecno Pova Neo 3 на базе Helio G85, на официальной странице смартфона заявлено следующее:
Теперь хочу понять как протестировать высокоточную инерциальную навигацию без работающего GNSS.
Кто знает, кто тестировал, отзовитесь пожалуйста.
piuzziconezz
Скорее всего используется интерполяция для расчета местоположения, когда недоступен GNSS, зная текущую скорость и направление движения. Давно уже этот алгоритм встроен в популярные чипы. Элементарный алгоритм, зато как красиво звучит - инерциальная навигация!
mizugoji
интересная версия, спасибо, но "Скорее всего" не внушает доверия :)
semennikov
Ну так это она самая и есть!
Alexeyslav
акселерометры имеют конечную точность и всегда будут давать ошибку принципиально. Здесь же, система навигации основанная на гравитации, считывая гравитационное поле можно с очень высокой точностью отслеживать перемещения, используя гравитационные "маяки" - навигацию в пространстве. Или по специально составленным подробным гравитационным картам земли.... Но правда, в статье только намёки есть на способы связи точности измерения времени и положения в пространстве. Как это должно работать, и самое главное - какой точности надо достичь чтобы получить приемлемую точность определения положения в пространстве? Вот на эти вопросы я ответа не увидел, кроме того что "нужно точнее и компактнее". А для чего? как это применить в практической навигации?
Gutt
Как? Разнести двое часов в пространстве и считывать градиент гравитационного поля? С одними часами вы не сможете измерить его потенциал, с чем сравнивать-то показания часов? Локальное искажение пространства-времени -- оно для всего, а не только для атомных часов.
Alexeyslav
может, для этого и нужна компактность, чтобы необходимая сфера из "часов" не была диаметром в 10 метров.
pulsatrix
Как то так: https://ru.wikipedia.org/wiki/Гравиметрия
Gutt
Там прямо написано: "Наземные гравиметрические наблюдения производятся с помощью гравиметров или акселерометров. В гравиметрических наблюдениях посредством спутника используются, как правило, высокоточные измерения его орбиты".
Гравиметры и акселерометры не используют атомные часы (по крайней мере, мне такие конструкции неизвестны).
Alexeyslav
Они могут понадобится, если мы хотим выяснить направление на источник гравитационного возмущения при помощи триангуляции.
Sap_ru
Самое просто - навигация по радиомаякам. Если маяки синхронизируют от сверхточных часов и приёмник синхронизируется от сверхточных часов, то можно очень просто определять позицию на огромной территорий без необходимости извращений с пеленегом.
Тупо по усреднённой разности фаз. Самым дорогим компонентом такой системы позиционирования будут собственно часы. Более того, можно и по WiFi/GSM с сантиметровой точностью позиционироваться, при условии, что излучатели также имеют точное опорное время.
konst90
Сверхточные часы на приёмнике заменяются дополнительным маяком. Собственно, GPS так и работает - вы можете определить положение на поверхности по трём спутникам, в пространстве - по четырём. С точными часами на приёмнике вам понадобится на один спутник меньше, потому что вам не нужно вычислять относительную разницу во времени отправки сигналов, у вас есть абсолютные значения с ваших часов.
Так что сверхточные часы на приёмнике, мне кажется, имеют смысл только при дефиците маяков.
Sap_ru
Нет. Одного дополнительно маяка никак недостаточно. Если у вас даже 10 маяков, но у них несинхронизировано время, то единственный способ определения положения - пеленг.
Нужно чтобы все остальные были очень точно синхронизированы по времени. А если они у вас сверхточно синхронизированы по времени,и у вас есть сверхточные часы то вам и трёх маяков хватит, а иногда и двух. Тем более, если расстояние не такие большие как у GPS и нужна меньшая компенсация неравномерности распространения.
konst90
Ну да. Четыре синхронизированных маяка для пространства или три на поверхности - если на приемнике нет точных часов. Три синхронизированных маяка для пространства или два для поверхности - если на приемнике есть часы.
Если у нас маяки неподвижны и их положение нам известно - то, насколько я понимаю, нам достаточно одного маяка со сверхточными часами, а остальные могут синхронизироваться от него, ведь мы можем посчитать задержку прохождения сигнала через расстояние и скорость света. А если координаты маяков неизвестны - никакие часы нам не помогут, сначала надо определить координаты маяков.
Sap_ru
Но вам ещё нужно бы ещё точные часы в приёмнике. Иначе очень муторная и сложная математика получается. А при наличии часов, там всё остальное реально $50 стоить будет.
Проблема с синхронизацией времени от внешнего источника в том, что там тоже есть нестабильность распространения, нестабильность частоты и прочее. В результате и радиочасть и математика очень сложными выходят. А при наличии часов вам даже собственный опорный генератор не нужен слишком точный - можно периодически по часам и калибровать.